(57)【要約】  固定子コイルにおいて発生した損失熱を、効果的に冷却水路に放熱し、固定子コイルの温度上昇を抑え、許容温度に対してより大きな通電を可能にして、定格出力を向上するコンパクトな水冷構造を備えた回転電機を提供できるようにする。    回転自在に支持された概円筒形の回転子と、固定子と、固定子を支持するブラケットと、水冷構造を備えた回転電機において、ブラケットは、冷却水路を有するとともに、絶縁体を介し、固定子コイルと密着する部分を有することを特徴とする回転電機である。
2011092928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持された概円筒形の回転子と、固定子と、前記固定子を支持するブラケットと、水冷構造を備えた回転電機において、
前記ブラケットは、冷却水路を有するとともに、絶縁体を介し、固定子コイルと密着する部分を有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記冷却水路は、モータ外部側に開口部分を有し、モータ内部側に開口部分を有しないことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
前記固定子コイルは、外形状を加圧成形された空芯コイルを、固定子鉄心のスロット部に装着したことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項４】
前記固定子コイルは、固定子鉄心のスロット部に分布巻に装着され、外形状を加圧成形されたコイルエンド部を有することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項５】
前記絶縁体は、リング状成形品であり、前記コイルエンド部と前記ブラケットの間に装着されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項６】
前記絶縁体は、前記ブラケットの表面に処理されたセラミック皮膜であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ＥＶモータのような回転電機に関するもので、特に固定子コイルの冷却に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転電機は、負荷電流の通電による損失熱によって固定子コイルの温度が上昇する。より大きな出力を得るためには、負荷電流の増大が必要であり、固定子コイルの温度は更に上昇する。回転電機の定格出力は、多くの場合、固定子コイルの温度が耐熱限界温度に達しない範囲に限られるため、固定子コイルの冷却方法は、回転電機の出力向上に欠かせない重要な技術である。
従来の、回転自在に支持された概円筒形の回転子と、固定子と、前記部品を支持するブラケットと、水冷構造を備えた回転電機には、フレームに冷却水路を備えた例がある（例えば、特許文献１参照）。
図１４は、従来の水冷構造を備えた回転電機の構造例である。
図において、前記回転電機は、回転自在に支持された概円筒形の回転子７と、固定子鉄心２と、固定子鉄心に装着された固定子コイル３と、前記部品を支持する負荷側ブラケット４a，反負荷側ブラケット４bと、フレーム１を有する。
フレームには、冷却水路１２が設けられている。固定子コイルで発生した損失による熱量は、インシュレータ、固定子鉄心、フレームを経て、冷却水により外部へ放熱される。
フレームに至る熱伝導性を高めるために、固定子コイルの負荷側コイルエンド３a、反負荷側コイルエンド３bとフレームの間に、高熱伝導絶縁体１０a，１０bを充填している。
高熱伝導絶縁体により、固定子コイルで発生した熱量をより直接的にフレームへ放熱でき、回転電機の定格出力を増大することができる。【０００３】
従来の回転電機には、固定子鉄心に装着された固定子コイルで発生した熱を、直接負荷側ブラケットへ放熱し、冷却効果を向上させるものもある（例えば、特許文献２参照）。
図１５は、従来の別の回転電機の軸方向断面図である。
図において、固定子鉄心２２に装着された板状導体よりなる固定子コイル２１の負荷側コイルエンド２１ｅを、内周面と外周面を各々一円筒面上に形成するとともに、端面を一平面上に形成して、負荷側ブラケット２５の溝部２５ｅに、絶縁体２４を介して密着させている。これにより、固定子コイルで発生した熱量を、直接負荷側ブラケットに放熱し、負荷側ブラケットより外部装置へと放熱させる。
固定子コイルのコイルエンドは、フレームより負荷側ブラケットへ密着させ易く、図１４に示したような、高熱伝導絶縁体を介するより、放熱効果が大きい。負荷側ブラケットに至った熱量は、負荷側ブラケットが装着された外部装置へと放熱される。【０００４】
このように、従来の回転電機は、固定子鉄心に装着された固定子コイルで発生した損失熱を、より効果的に、外部へと、放熱させる工夫がなされてきたのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１９１１４９号公報（第６頁、図１）
【特許文献２】特開２００６−０５０８５３号公報（第７頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示した、従来の回転電機は、固定子コイルで発生した熱量が、インシュレータ、固定子鉄心、フレームを経て、冷却水により外部へ放熱される放熱性の悪さを改善するため、高熱伝導絶縁体を用い、固定子コイルで発生した熱量をより直接的にフレームへ放熱する効果を併用している。しかしながら、高熱伝導絶縁体は、通常絶縁体に比べて熱伝導性が優れているものの、ブラケット等の素材である金属に比較すれば、格段に熱伝導性が劣り、放熱効果の改善も小さい。【０００７】
特許文献２に示した、従来の別の回転電機は、固定子コイルのコイルエンドを、負荷側ブラケットへ密着させるため、負荷側ブラケットに至るまでの放熱効果が大きいものの、水冷構造を有しないため、負荷側ブラケットから回転電機外部への放熱については限界が低い。【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、固定子コイルにおいて発生した損失熱を、効果的に冷却水路に放熱し、固定子コイルの温度上昇を抑え、許容温度に対してより大きな通電を可能にして、定格出力を向上するコンパクトな水冷構造を備えた回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、
回転自在に支持された概円筒形の回転子と、固定子と、固定子を支持するブラケットと、水冷構造を備えた回転電機において、
ブラケットは、冷却水路を有するとともに、絶縁体を介し、固定子コイルと密着する部分を有することを特徴とする回転電機とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、
ブラケットの冷却水路は、モータ外部側に開口部分を有し、モータ内部側に開口部分を有しないことを特徴とする請求項１記載の回転電機とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、
固定子コイルは、外形状を加圧成形された空芯コイルを、固定子鉄心のスロット部に装着したことを特徴とする請求項１記載の回転電機とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、
固定子コイルは、固定子鉄心のスロット部に分布巻に装着され、外形状を加圧成形されたコイルエンド部を有することを特徴とする請求項１記載の回転電機とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、
固定子コイルとブラケットを介する絶縁体は、リング状成形品であり、固定子コイルのコイルエンド部とブラケットの間に装着されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、
固定子コイルとブラケットを介する絶縁体は、ブラケットの表面に処理されたセラミック皮膜であることを特徴とする請求項１記載の回転電機とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によると、
ブラケットは、冷却水路を有するとともに、絶縁体を介し、固定子コイルと密着する部分を有するため、固定子コイルにおいて発生した損失熱を、効果的に冷却水路に放熱し、固定子コイルの温度上昇を抑え、許容温度に対してより大きな通電を可能にして、定格出力を向上するコンパクトな水冷構造を備えた回転電機を提供できる。
また、請求項２に記載の発明によると、
ブラケットの冷却水路は、モータ内部側に開口部分を有しないため、ブラケットの回転電機内部側に、冷却水が浸漬することがなく、固定子コイル周りの絶縁を低下させることがない。
また、請求項３に記載の発明によると、
固定子コイルは、外形状を加圧成形された空芯コイルを、固定子鉄心のスロット部に装着するため、固定子コイルのコイルエンド部分をブラケットに密着させやすく、固定子コイルで発生した熱量をブラケットへ放熱し易い。
また、請求項４に記載の発明によると、
固定子コイルは、固定子鉄心のスロット部に分布巻に装着され、外形状を加圧成形されたコイルエンド部を有するため、固定子コイルのコイルエンド部分をブラケットに密着させやすく、固定子コイルで発生した熱量をブラケットへ放熱し易い。
また、請求項５に記載の発明によると、
固定子コイルとブラケットを介する絶縁体は、リング状成形品であるため、安価に製作できる。
また、請求項６に記載の発明によると、
固定子コイルとブラケットを介する絶縁体は、ブラケットの表面に処理されたセラミック皮膜であるため、高い絶縁抵抗と高熱伝導性を兼ね備えた材質であり、絶縁を確保しながら、固定子コイルで発生した熱量をブラケットへ放熱し易い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施例を示す回転電機の軸方向断面図
【図２】前記モータの径方向断面図
【図３】負荷側ブラケットの形状説明図
【図４】固定子コイルの装着前説明図
【図５】固定子コイルの絶縁構造説明図
【図６】固定子コイルの装着後説明図
【図７】フレームの装着状態説明図
【図８】固定子コイルの外形状を加圧成形する作業説明図
【図９】周方向より見た固定子コイル外形状の加圧成形説明図
【図１０】本実施例の効果を示す比較図
【図１１】本発明の第２実施例を示す回転電機の軸方向断面図
【図１２】前記回転電機の径方向断面図
【図１３】負荷側コイルエンド部の加圧成形方法を示す説明図
【図１４】従来の水冷構造を備えた回転電機の構造例
【図１５】従来の別の回転電機の軸方向断面図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、ＥＶモータに供する、本発明の第１実施例を示す回転電機の軸方向断面図である。
図において、前記モータの回転子３１の回転子鉄心３３は、負荷側側板３５と反負荷側側板３６とでシャフト３４に固定され、負荷側軸受３７と反負荷側軸受３８を介して、負荷側ブラケット４３と反負荷側ブラケット４４に回転自在に支持されている。
シャフトの反負荷側端部には、回転子の回転位置を検出するためのエンコーダ部４１が設置されている。
固定子コイル４６は、絶縁体４７を介し、負荷側ブラケットと密着するように装着されている。負荷側ブラケットは、絶縁体を介し、固定子コイルと密着する部分を有するとともに、冷却水路４３cを有するため、固定子コイルにおいて発生した損失熱による熱量を、
効果的に冷却水路に放熱し、固定子コイルの温度上昇を抑え、許容温度に対してより大きな通電を可能にして、定格出力を向上させている。冷却水路は、ボルト５５により負荷側ブラケットに締結されたカバー５０により密閉され、外側Oリング５３と内側Oリング５４
は、冷却水の漏洩を防止している。熱量は、冷却水とともに、導出管４３bより外部へ放熱される。
固定子コイルはインシュレータ４８をもって、固定子鉄心と絶縁されている。
固定子コイルへの通電は、外部より、図示しないリード線を介して、固定子コイルの結線部４２より供給される。
反負荷側ブラケットは、フレーム５１とともに、図示しないボルトで、負荷側ブラケットに締結されている。【００１４】
図２は、前記モータの径方向断面図である。
図において、前記モータの回転子３１は、永久磁石３２が１極毎にＶ字状に回転子鉄心３３に設置され、１０極の磁極を構成した埋込磁石型構造である。
固定子は、ティース毎に分割された固定子鉄心４５と、集中巻に巻回され、外形状を加圧成形された固定子コイル４６を有する。【００１５】
図３は、負荷側ブラケットの形状説明図である。
図において、負荷側ブラケット４３は、絶縁体を介し、固定子コイルと密着する部分を有するとともに、冷却水路４３cを有する。
冷却水は、導入管４３aより導入され、冷却水路４３cを通過しながら負荷側ブラケットの熱量を受け、導出管４３bより導出される。図示しない外部装置で冷却された後、再び負荷側ブラケットに導入される循環を繰り返しながら、本実施例のモータを冷却する。
冷却フィン４３dは、冷却水路を構成するとともに、負荷側ブラケットから冷却水への熱交換を促進するために設けられている。
また、負荷側ブラケットには、外部装置への取付け用ボルト孔４３e，フレームとの締結ボルト孔４３fおよびカバー取付け用ねじ穴４３gが設けられている。【００１６】
図４は、固定子コイルの装着前説明図である。
図において、固定子コイル４６は、外形状を加圧成形された空芯コイル１２個を、絶縁体４７を介し、負荷側ブラケット４３と密着するように装着される。
固定子コイルと負荷側ブラケットを介する絶縁体は、負荷側ブラケットの表面に処理されたセラミック皮膜であるため、高い絶縁抵抗と高熱伝導性を兼ね備えた材質であり、絶縁を確保しながら、固定子コイルで発生した熱量をブラケットへ放熱し易い。セラミック皮膜は絶縁性を確保するため、封孔処理がなされている。【００１７】
また、図５の固定子コイルの絶縁構造説明図に示すように、固定子コイル４６は、外側インシュレータ４８aと内側インシュレータ４８bをもって、固定子鉄心と絶縁され、周方向に貼付された絶縁テープ４８cによって、隣りあう固定子コイルと絶縁されている。インシュレータは、薄い成形が可能な流動性の良い樹脂材による射出成形部品、またはシート状の樹脂を加熱し加圧成形したシート加工部品である。
固定子コイルは、絶縁皮膜を持つ丸銅線を巻回してなり、固定子鉄心のスロット部、および、負荷側ブラケットに装着される負荷側コイルエンド部４６cは、完全整列巻きに巻回され、丸銅線の交差は全て、反負荷側コイルエンド部４６dで行われ、固定子コイルの巻始めコイル端４６aと巻終わりコイル端４６bは、反負荷側コイルエンド部４６dに設けらている。【００１８】
また、図６の固定子コイルの装着後説明図に示すように、固定子コイル４６の負荷側コイルエンド部４６cは、内周面と外周面を各々一円筒面上に形成するとともに、端面を一円錐面上に加圧成形された空芯コイルであるため、絶縁体４７を介し、リング状に負荷側ブラケットに密着して装着される。
絶縁体は、負荷側ブラケット４３の表面に処理されたセラミック皮膜であり、固定子コイルと負荷側ブラケット間に必要な絶縁抵抗と耐圧を確保できる最小な厚みとすることで、固定子コイルから負荷側ブラケットへの放熱性を良好にしている。
固定子コイルには、固定子鉄心のティース部４５aが装着される固定子コイルの内側の空隙４６dがあり、ティース毎に分割された固定子鉄心４５を、外側より絶縁体４７に接して装着する。
結線基板５２は、図５に示した固定子コイルの反負荷側コイルエンドの巻始めコイル端と巻終わりコイル端に連結して装着する。【００１９】
図７は、フレームの装着状態説明図である。
図において、固定子鉄心４５を装着した状態で、加熱したフレーム５１を固定子鉄心に焼き嵌め装着する。【００２０】
図８は、固定子コイルの外形状を加圧成形する作業説明図である。
図の（ a ）において、固定子コイルの外形状を加圧成形するプレス治具は、上パンチ６１、下パンチ６２、ダイ６３とコアピン６４よりなり、コイルの装着スペース６３aに丸銅線を巻回し、（ b ）に示すように、上パンチを下方に加圧して固定子コイル４６の外形状を加圧成形する。【００２１】
図９は、周方向より見た固定子コイル外形状の加圧成形説明図である
図において、固定子コイル４６は、反負荷側コイルエンド部端面を除き、全ての外形状を加圧成形され、その後加熱して絶縁皮膜を融着し、空芯コイルが完成する。【００２２】
図１０は、本実施例の効果を示す比較図である。
図において、フレームに冷却水路を有する従来構造の回転電機（Ａ）では、定格出力状態において、フレームの冷却水温度を６０℃に保つとき、固定子コイルの平均温度は１３０℃である。固定子コイルとインシュレータは約１２９℃で接し、インシュレータと固定子鉄心は約１０２℃で接し、固定子鉄心とフレームは約７２℃で接する。熱量の放熱経路が複雑であるため、６０℃の冷却水温度に対し、固定子コイルの平均温度は７０℃上昇している。
同じ出力と冷却水温度を同じまま、本実施例の構造（Ｂ）にすれば、固定子コイルの温度は７３℃に低下し、６０℃の冷却水温度に対し、固定子コイルの平均温度は１３℃上昇に低下する。
固定子コイルから負荷側ブラケットの冷却水へ、より直接的に熱量が移動するからである。
また、もし、（ c ）に示すように、従来構造の固定子コイルと同じ１３０℃となる熱量を求めると、（ a ）に対し５６７％の熱量発生まで許容でき、出力を約２．４倍まで増大できる。【００２３】
以上のように、本実施例の回転電機によれば、固定子コイルにおいて発生した損失熱を、効果的に冷却水路に放熱し、固定子コイルの温度上昇を抑え、許容温度に対してより大きな通電を可能にして、定格出力を向上するコンパクトな水冷構造を備えた回転電機を提供できる。【００２４】
本発明が特許文献１、２と異なる部分は、ブラケットは、冷却水路を有するとともに、絶縁体を介し、固定子コイルと密着する部分を有する部分である。
【実施例２】
【００２５】
図１１は、本発明の第２実施例を示す回転電機の軸方向断面図である。
図において、回転電機は、フレーム９１や反負荷側ブラケット８４、固定子コイル８６を有する固定子と、負荷側ブラケット８３を備えており、負荷側ブラケットと反負荷側ブラケットに回転自在に支持される回転子は図示していない。固定子コイルの負荷側コイルエンド部８６aは内周面８６aaと外周面８６abが各々一円筒面上に形成され、端面８６acが一平面上に加圧成形されている。負荷側ブラケットは、負荷側コイルエンド部と、負荷側コイルエンド部の内周面、外周面、および端面で密着する凹部の溝部８３aを有し、溝部には、絶縁体である高熱伝導性樹脂の射出成形部品を介して、負荷側コイルエンド部が密着する状態でモールド樹脂にて固定されている。
負荷側ブラケットの外側に冷却水路を有することは、第１実施例と同様である。
負荷側ブラケットは、絶縁体を介し、固定子コイルと密着する部分を有するとともに、冷却水路を有するため、固定子コイルにおいて発生した損失熱による熱量を、効果的に冷却水路に放熱し、固定子コイルの温度上昇を抑え、許容温度に対してより大きな通電を可能にして、定格出力を向上させている。
固定子コイルへの通電は、外部より、図示しないリード線を介して、固定子コイルへ供給される等、その他の構造は、第１実施例と同様である。【００２６】
図１２は、前記回転電機の径方向断面図である。
図において、回転電機の回転子７１は、永久磁石７５が１極毎にＶ字状に回転子鉄心７３に設置され、１０極の磁極を構成した埋込磁石型構造である。
固定子は、固定子鉄心８５のティース部８５aに絶縁紙を装着して絶縁処理を行い、絶縁被膜を有する巻線を分布巻で巻回したのち、ティース部に装着して固定子コイル８６とし、フレーム９１の内周に保持されている。【００２７】
図１３は、負荷側コイルエンド部の加圧成形方法を示す説明図である。
図において、（ a ）は、成形前の様子を示し、（ b ）は、成形後の様子を示す。
固定子４は、固定子鉄心８４のティース部に絶縁被膜を有する巻線を分布巻で巻回したのち、ティース部に装着して固定子コイル８６とし、その後、負荷側コイルエンド部８６aは、内周面成形冶具９２，外周面成形冶具９３および端面成形冶具９４をもって、内周面８６aaと外周面８６abが各々一円筒面上に形成され、端面８６acが一平面上に形成される。【００２８】
以上のように、本実施例の回転電機によれば、固定子コイルにおいて発生した損失熱を、効果的に冷却水路に放熱し、固定子コイルの温度上昇を抑え、許容温度に対してより大きな通電を可能にして、定格出力を向上するコンパクトな水冷構造を備えた回転電機を提供できることは、本発明の第１実施例の回転電機と同じである。【００２９】
本発明が特許文献１、２と異なる部分は、ブラケットは、冷却水路を有するとともに、絶縁体を介し、固定子コイルと密着する部分を有する部分である。
本実施例が、本発明の第１実施例と異なる部分は、空芯コイルを装着するのではなく、巻線を固定子鉄心のスロット部に分布巻に装着する部分である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の回転電機は、温度上昇を抑え、従来よりも定格出力を向上する回転電機を提供できるため、ＥＶモータに限らず、広範囲な種類の産業用回転電機にも適用できる。
【符号の説明】
【００３１】
１      フレーム
２      固定子鉄心
３      固定子コイル
３ａ    負荷側コイルエンド
３ｂ    反負荷側コイルエンド
４ａ    負荷側ブラケット
４ｂ    反負荷側ブラケット
５ａ    負荷側軸受
５ｂ    反負荷側軸受
６      シャフト
７      回転子
１０ａ  高熱伝導絶縁体
１０ｂ  高熱伝導絶縁体
１２    冷却水路
２１    固定子コイル
２１ｅ  負荷側コイルエンド
２２    固定子鉄心
２４    絶縁体
２５    負荷側ブラケット
２５ｅ  負荷側ブラケットの溝部
２６    反負荷側ブラケット
２７    永久磁石
２８    回転子鉄心
２９    シャフト
３１    回転子
３２    永久磁石
３３    回転子鉄心
３４    シャフト
３５    負荷側側板
３６    反負荷側側板
３７    負荷側軸受け
３８    反負荷側軸受け
４１    エンコーダ部
４２    結線部
４３    負荷側ブラケット
４３ａ  導入管
４３ｂ  導出管
４３ｃ  冷却水路
４３ｄ  冷却フィン
４３ｅ  外部装置への取付け用ボルト孔
４３ｆ  フレームとの締結ボルト孔
４３ｇ  カバー取付け用ねじ穴
４４    反負荷側ブラケット
４５    固定子鉄心
４５  ティース部
４６    固定子コイル
４６ａ  巻始めコイル端
４６ｂ  巻終わりコイル端
４６ｃ  負荷側コイルエンド部
４６ｄ  反負荷側コイルエンド部
４７    絶縁体
４８    インシュレータ
４８ａ  外側インシュレータ
４８ｂ  内側インシュレータ
４８ｃ  絶縁テープ
４９    ダストシール
５０    カバー
５１    フレーム
５２    結線基板
５３    外側Oリング
５４    内側Oリング
５５    ボルト
６１    上パンチ
６２    下パンチ
６３    ダイ
６３ａ  コイルの装着スペース
６４    コアピン
７１    回転子
７３    回転子鉄心
７４    シャフト
７５    永久磁石
８２    結線部
８３    負荷側ブラケット
８３ａ  溝部
８４    反負荷側ブラケット
８５    固定子鉄心
８５ａ  ティース部
８６    固定子コイル
８６ａ  負荷側コイルエンド部
８６aa  負荷側コイルエンド部の内周面
８６ab  負荷側コイルエンド部の外周面
８６ac  負荷側コイルエンド部の端面
８７    絶縁体
８８    絶縁紙
９１    フレーム
９２    内周面成形冶具
９３    外周面成形冶具
９４    端面成形冶具
Ｆ      荷重
【図１】
2011092928.tif 000003
【図２】
2011092928.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2011092928.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011092928.tif 000009
【図８】
2011092928.tif 000010
【図９】
2011092928.tif 000011
【図１０】
2011092928.tif 000012
【図１１】
2011092928.tif 000013
【図１２】
2011092928.tif 000014
【図１３】
2011092928.tif 000015
【図１４】
2011092928.tif 000016
【図１５】
2011092928.tif 000017
【国際調査報告】
2011092928.tif 000018
2011092928.tif 000019
2011092928.tif 000020
2011092928.tif 000021
2011092928.tif 000022
2011092928.tif 000023
2011092928.tif 000024